Содействие развитию передовых технологий ядерных реакторов посредством инноваций в области топлива

Мне нравится представлять себе рынок ядерного топлива, где проектировщик реактора может покупать топливо точно так же, как дизайнер интерьеров покупает плитку.

Проектировщик реактора может предоставить свои эксплуатационные характеристики, то есть температуры теплоносителя на входе и выходе, флюенс нейтронов, сценарии проектных аварий, теплоносители первого и второго контуров и т. д. Затем поставщик топлива может предоставить варианты, позволяющие максимизировать производительность реактора. Однако сегодня в США единственная лицензированная и квалифицированная коммерческая форма топлива практически не изменилась с 1960-х годов. Таким образом, коммерческие энергетические реакторы почти исключительно работают на топливе на основе диоксида урана (UO2). Во всем мире существует небольшое количество поставщиков топлива, которые поставляют это топливо UO2, заключенное в оболочку на основе циркония. Важно отметить, что в исследовательских и испытательных реакторах1 используются другие формы топлива; однако для коммерческих ядер UO2 является не только «золотым стандартом», но и единственным вариантом топлива, по крайней мере, здесь, в США.

После аварии на АЭС «Фукусима-дайчи» в 2011 году во всем мире активизировались усилия по выводу на рынок так называемого «аварийно-устойчивого топлива» (ATF)2, которое, поначалу, казалось, давало возможность значительного отхода от давних отраслевых стандартов. Целью программы создания аварийно-устойчивого топлива является продление срока службы топлива для легководных реакторов (LWR).3 По сути, глобальное сообщество ученых, инженеров, коммунальных компаний и поставщиков топлива потратило десять лет на оценку вариантов и продвижение уровень знаний в области технологии ядерного топлива, чтобы определить замену традиционной форме топлива, которая была бы экономически жизнеспособной и могла бы выдержать аварию с потерей теплоносителя в течение более длительного периода времени, прежде чем произойдет выброс радиоизотопа. Для этого необходимо было увеличить теплопроводность и стойкость к окислению формы ядерного топлива, а также несколько других желаемых показателей эффективности топлива.4 В конце концов, сообщество ATF США остановилось на двух классах кандидатов ATF: -срочные и долгосрочные. Ближайшими решениями являются постепенное усовершенствование традиционного UO2 в циркониевой оболочке с нанесением покрытий на оболочку для повышения стойкости к окислению и добавлением легирующих добавок в UO2 для улучшения теплопроводности и удержания продуктов деления.

Весной 2011 года, во время третьей крупной аварии в истории производства ядерной энергии, я был аспирантом Техасского университета A&M и работал над докторской диссертацией по физике. Мой диссертационный проект был направлен на повышение уровня знаний о расплавленных солях на основе урана для предлагаемой системы с приводом от ускорителя5 – активной зоны ядерного реактора, в которой ускоритель частиц используется в качестве «включателя/выключателя» для цепной реакции деления. В 2022 году расплавленная соль станет ключевым моментом в ядерном сообществе, который будет использоваться либо в качестве теплоносителя, либо в качестве топлива; однако в 2011 году, когда я искал дополнительное финансирование для завершения своего диссертационного исследования, соли были далеко не в верхней части списка приоритетов Управления по ядерной энергии Министерства энергетики США. То, что было в верхней части списка и стало областью исследований топлива, которой я посвятил свою постдокторантуру и начальную стажировку, было топливо, устойчивое к авариям.

Как я уже ускользнул, масштабные исследования и разработки привели к внедрению дополнительных усовершенствований в традиционное оксидное топливо, но также позволили оценить материалы, которые еще не прошли серьезного исследования для реализации легководного реактора. Пока я работал научным сотрудником в Лос-Аламосской национальной лаборатории, мы тестировали все, от молибдена до стали и карбида кремния для кандидатов на оболочку, и улучшили как технологичность, так и термохимическое понимание нескольких новых топливных соединений, включая силицид урана, нитрид урана и соединения борида урана. Таким образом, отсутствие коммерческих вариантов топлива не связано с отсутствием инноваций и креативности в сообществе ядерных топлив и не с отсутствием потенциальных материалов, которые могут повысить производительность нашего нынешнего парка реакторов и сделать возможным революционные разработки. для будущего ядерной энергетики.